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无铅化SMT质量检测技术史建卫1,2，何鹏1，钱乙余1，袁和平21哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室2日东电子科技(深圳)有限公司摘要：本文针对人工目检，自动光学检测(AOI)，在线电路检测(ICT)，X射线检测等SMT质量检测技术，详细论述了其无铅化、微小化后的使用以及相应地改进方法。分析表明，在实际SMT产品质量检测中，应根据不同应用方面、检测技术的优缺点和发现缺陷的能力，进行合理选择与有机组合，通过互补性测试覆盖全部产品范围，把产品缺陷降到最低程度。在保证产品质量的过程中，检测技术与分析和建模工具FMEA、成品率预测建模工具一起使用，可保证产品质量，充分利用资源并减少测试时间。关键词：SMT，无铅化组装，ICT，AOI，X射线检测随着表面组装技术(SMT)的快速发展，SMT已成为当今最为通用，使用最为广泛的电子装联技术。目前，随着电子产品的小型化、轻型化和高可靠性要求，使得元器件不断轻薄短小，并朝着0.3mm的小间距发展。另一方面环境保护的要求也使得无铅钎焊技术快速地替代传统钎焊工艺，并由此带来一系列的钎焊质量问题[1]。元器件的多引脚和高性能化，特别是BGA/CSP/FC的推广，无铅钎料的应用均使得钎焊缺陷增高，愈来愈多的不可见焊点缺陷对SMT产品质量检测技术提出了更高的要求。本文针对几种主要的SMT检测技术，探讨其无铅化、微小化后的使用技术以及相应的改进方法。1常用的SMT质量检测技术目前在电路组装工艺中使用的检测技术主要包括人工目检(MVI)，自动视觉检测(AVI)，自动光学检测(AOI)，自动钎料检验(API/SPI)，自动激光/红外检测，在线电路检测(ICT)，声学显微镜检测，边界扫描，自动X射线检测(AXI)，功能检测(FT)，飞针测试(FP)，系统测试(ST)，环境应力屏蔽(ESS)等[2]。1.1人工目检人工目检[3]即利用人的眼睛和简单的光学放大器件对电路板、点胶、焊膏印刷、贴片、焊点及电路板表面质量进行人工检查。目检投资少，工艺水平低，对不可视焊点和元件表面细微裂纹不能检查，而且劳动强度大，不适合大批量生产。无铅化后，焊点外观成哑光型，失去刺眼光泽而有利于目检。但是元器件引脚的微小化，对人工目检是一个很大的挑战。1.2ICT测试ICT即在线电路测试[4-5]，分为飞针和针床两种方式，其工作原理是在设计芯片和PCB板时引入菊花链结构，使得组装后的焊点形成网络，从而通过检测网络通断来判断焊点是否失效。单头探针（尖矛型）是最流行的选择，一般适用于孔和焊盘，但用于管脚会发生侧滑；对通孔元器件的管脚，通常采用三针型/王冠型/锋利的多面型。为提高探针耐久性，通常选择比铍铜更硬的钢材，压力范围一般为1～20N；而对于免清洗焊膏，助焊剂残余较少，压力范围可选择1.1～2.0N。通常ICT测试用于再流焊后，主要用来检测元器件极性贴错、桥连、虚焊、短路等缺陷。目前，SMT工艺中使用的IC引脚间距逐渐趋于0.3mm，电路的组装密度逐渐趋于0.33～0.45mm间距，贴片元件也微型化，0201型料逐渐流行。面对微型化、高密度化的装配技术，飞针方式虽然可以探测到0.2mm的间距，但是测试时间太长，电子工业中较少使用；传统的针床ICT测试，测试速度快，但是只能对1.27mm(50mil)以上的测试间距进行有效检测，原因主要是由测试探针与被测板之间的良好接触、探针的定位精度条件决定。一方面细间距后要采用更细小的探针，但探针更小时会带来弹力降低，无法穿透焊点表面助焊层、杂质或接触不良，导致传统针床探针接触不良而带来误判。另一方面对于针床式电路测试，需要考虑测试点与测试针之间的相对定位问题。高密度装配的条件下，各项细小的位置误差（如焊盘误差、定位孔和销配合误差、植针加工误差、探针活塞误差、针头偏斜误差、定位销倾斜误差等）成了必须考虑的问题，这些误差或其累积很容易造成探针与测试点不对中，带来误判。总之，由于传统针床的制作技术及工艺问题所导致的不可测问题，影响了ICT的测试效率，降低了ICT对细间距测试点的检测能力。1.3AOI检测AOI检测即自动光学检测[6-7]，其特点是采用计算机技术、高速图像处理和识别技术、自动控制技术、精密机械技术和光学技术，具有自动化、高速化和高分辨率的检测能力，而且减轻劳动强度，提高判别的客观性和准确性，减少专用夹具，通用性强，给组装系统提供实时反馈信息。AOI可以提高在线测试(ICT)或功能测试(FT)的通过率、降低目检和ICT的人工成本、避免使ICT成为产能瓶颈、甚至取消ICT、缩短新产品提升周期以及通过统计过程控制（SPC）改善成品率等等。AOI与其它测试技术相比，可用于生产线上的多个位置，目前AOI主要用于3个检测工序：1)锡膏印刷之后检测，及时发现印刷过程中的缺陷，将因为锡膏印刷不良产生的焊接缺陷降到最低，常采用100%2D/3D检测焊膏沉积的位置和厚度。2)贴片之后检测，检查来自锡膏印刷以及贴片过程中产生的缺陷。3)再流焊后检测，主要检查焊后缺陷，其工艺流程如图1所示。AOI技术的特点包括：在过程检测期间进行的成本远远低于在最终测试和检测之后的成本，通常相差十几倍；能够尽早发现重复性错误；能为工艺技术人员提供SPC资料(图2为AOI技术与SPC关系图)；能适应PCB组装密度进一步提高的要求（如1005，0603或是更小的0402片式组件都可检测）；测试程序可直接由CAD资料生成，十分快捷；能跟上SMT生产线的生产节拍，检测可靠性高。另外还能进行边界扫描，检查BGA边缘焊点。注：SPC-统计过程控制注：SPC-统计过程控制图1AOI再流焊后的工艺流程图2AOI技术与SPC关系无铅化后，由于无铅钎料大多为非共晶合金，在钎料从熔融状态变为完全固体的冷却过程中，有大约10℃左右的温差（从液态是不会马上变为固体的），因此冷却会出现固、液共存的情况，表面变得无光泽。而共晶钎料的焊点表面比较光滑，容易形成强烈的镜面反射。相对而言，无铅钎料根据冷却条件不同，造成无光泽感的漫反射的倾向也不同。如果漫反射太强，会在外观上变得无光泽、发白。针对无铅钎料这种特性，采用彩色高亮度方式AOI对其进行检测，即使钎料表面漫反射很强，也仍然是有效的。彩色高亮度方式就是改变色彩不相同的圆环光源的亮度（如图3），去照射基板面上的焊点，用正上方的CCD摄像机把对应于焊点表面各要素的仰角而反射回来的光线拍摄下来，将焊点的三维角度信息转换为二维的图像，对应于不同角度的平面，焊点面被分为红色、绿色和蓝色等几种颜色，从而可以辨识其形状。图3彩色高亮度工作方式原理彩色高亮度是用色调来描述形状，因此即使焊点外观上已经变白，但采用高亮度方式依然有效。在这种方式下，焊点平面会转化成红色，缓慢倾斜面会转化为绿色，急剧倾斜面会变成蓝色，这对境面反射和漫反射面都是成立的。对于共晶钎料，RGB的各自波形是尖锐的，对于三个仰角明显显示出RGB的各个强度(如图4)。而对于非共晶无铅钎料，相邻的色调混合在一起的比例随着仰角增大而不断增加，各自的波形变钝(如图5)。但是对于各平面的RGB强度，如果着眼于强度最大的一个，上述规律仍然成立。因而从形状信息向色调信息转换的过程中不会发生任何问题。图4共晶焊点波形图图5无铅焊点波形图对于无铅焊锡表面，在白化特别严重的时候，应该进行脱白处理。从理论色调H与色度S公式换算可知，脱白处理可以保持色调，增加色度。ICT和AOI两种方法的查缺能力都不高，对于高质量、高可靠性产品，还应该选用其它检测方法。1.4X射线检测X射线检测[8-14]主要用来检测BGA，CSP与FC等封装器件下的焊点缺陷，如桥连、开路、焊球丢失、移位、钎料不足、空洞、焊球和焊点边缘模糊等。BGA的相关标准和规定包括IPC-A-610C12.2.12和IPC-7095。目前，X射线无损检测技术大致可以分为三大类：基于2D图像的X射线检测分析；基于2D图像，具有OVHM的2X射线检测分析；3DX射线检测分析。前两种属于直射式X光学检测；后一种属于断层剖面X光检测。1.4.12DX射线检测分析高压产生的X射线，通过材料为铍的窗口，以扇型光束投射到PCB上。X射线穿透检测样，放大并投射到CCD成像器上，将X射线转化为可见光影像。所得到的图像分辨率主要取决于X光管聚焦的尺寸，典型的是在几微米范围内，但新颖的毫微米级聚焦管也能达到小于1微米。给定目标的可检测性能取决于目标物体形成X光图像亮度的差异。传统的2DX射线直射式照相设备比较便宜，但是在PCB两面的同一位置都有元件的情况下，这些钎料形成的阴影会重叠起来，分不清是哪一层。1.4.23DX射线检测分析3D成像可采用不同的方法，包括莫尔和相移干扰计、三角测量、行程时间、聚焦和共焦点的方法，在焊点质量检测中常用最后一种。共焦点方法的原理为：一个X射线源以θ角照射样品，并且在高速旋转的同时有一个检波器与其保持同步。X光在光源与检波器间的某一位置聚焦，出现一个聚焦平面。聚焦平面上的物体被清楚的看到，而不在聚焦平面上的物体只有一个阴影。在BGA同一焊点不同高度处(至少两处)取“水平切片”，可直接测量焊点钎料量以及焊点成型情况。3DX射线检测分析原理见图6。断层剖面测量了每个“切片”的4个基本物理参数：焊点的中心位置，焊点的直径，与焊点中心同轴的5个圆环的各自钎料厚度，焊点相对于已知圆度的圆形形状误差。焊点中心位置在不同切片影像中的相对位置可表明BGA器件在PCB焊盘上的移位情况；焊点直径测量表示焊点中钎料量与标准钎料量的相对量；在焊盘位置的直径测量则表示因焊膏印刷或焊盘污染引起的润湿不良，而在焊球处的直径测量则表示焊点共面性情况，利用各个同轴圆环的钎料厚度测量以及它的变化率则可判断焊点中钎料的分布情况，这对确定气孔缺陷更为有效。焊点的圆度表示与标准圆相比，焊点周围钎料分布的均匀性，这可为判定器件移位和焊点润湿情况提供数据。对于一个直径为D的薄片，考虑到所有的图层，薄片的图像看起来是一个双锥形物体，锥高为H=D/tanθ（见图7）。因为只有一个单独的平面有清晰的像，所以真实图像可以通过其结构很容易区分出来。这一准则不适合垂直高度与侧面尺寸相差无几的物体，比如说球形，因为此时该结构是在真实物体层图像上的不断重叠，这也就使其不容易被认清。X射线分层法的检测效率对于有空隙的焊点不是很高。只有缝隙足够大才能在图像结构中被确认。为了解决这样问题，一种新的研究结果表明，配合各种OVHM(高放大率下的斜视图技术)技术，用X射线检测斜视图对开放式焊点有最高的检测概率。图63DX射线检测分析原理图7真实图形与3DX射线成像图形对比注：3D指形成X、Y、Z三个方向上的立体图形1.4.3基于2D图像，具有OVHM的X射线检测分析成像原理与2DX射线检测基本相似，不同的是采用自带抽真空和维持真空系统的开放式结构的X射线管，由于与闭管相比较具有较小的微焦点直径，因而具有较高的分辨率。目前国际上已研制出微焦点直径为500nm的开放式X射线管，并采取数控成像器倾斜旋转，获得了较高的放大倍数。不同X射线检测技术性能和应用的对比见表1和表2，可见具有OVHM的2DX射线开管检测系统的性能、分辨率和几何放大倍数均优于一般2DX射线闭管检测系统和3DX射线检测系统。1.4.4无铅化对X射线检测技术的影响根据图像增辉器的经验准则，能确定吸收的差异值至少大于2％才能清晰地检测。实际上，X光吸收依照下面指数规律进行计算：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅-=xIIrrmexp0(1)式中：I/I0是X光透过样本前后的强度比值；材料的影响是由物质吸收系数μ/ρ确定的，这也取决于X光辐射量子的能量E；ρ代表厚度为X的材料密度。在微聚焦X射线检测中常用的X光能量范围为30～160keV。物质吸收系数μ/ρ直接由原子量Z决定（见表3，大约按Z3的比例而增加）。由于铅对X光线的吸收比PCB及元器件材料对X光线的吸收要强些，因而焊点能够被容易的显示出明显的对照差异。无铅化后，大多数无铅钎料为常用的Sn基钎料（如SnAgCu合金）或含Bi钎料。与SnPb钎料相比，Bi的X光吸收比